第1章绪论
1.1研究背景与意义
华北型煤田是指主采煤层主要受中奥陶统灰岩（以下简称“奥灰”）水害威胁的石炭—二叠纪煤田，其分布范围南起秦岭纬向构造带的东段，北至阴山纬向构造带的南界，西抵贺兰山断裂带，东达郯芦断裂，行政区划包含冀、晋、豫三省全部，以及鲁西、鲁中、苏北、皖北等地，总面积达727600km2。区内主要含煤岩系为晚古生代石炭—二叠纪煤层，由碎屑岩、泥质岩、少量石灰岩和煤层组成，直接覆盖在中奥陶统风化剥蚀面上，中奥陶统主要由巨厚石灰岩地层组成，岩溶较为发育且富水性好，在区内多有出露，主要集中在太行山脉和沂蒙山脉地区，灰岩分布区地貌多构成高山或中低山地形，成为灰岩岩溶地下水的补给来源。
区域内普遍缺失下石炭统、泥盆系、志留系和上奥陶统地层，使得石炭—二叠纪煤层与下部巨厚中奥陶统灰岩地层距离较小，煤系地层中煤层底板分布有多层太原组薄层灰岩，组成极为典型的华北型石炭—二叠纪煤田底板灰岩充水的水文地质结构，加之断层、陷落柱等地质构造和开采扰动破坏裂隙影响，极易发生煤层底板突水事故。奥陶系及与之有联系的石炭系灰岩岩溶含水层突水事故具有突水量大、突水长期稳定的特征，常会造成淹井、淹采区等严重后果，并造成井下工作人员群死群伤事件。据统计，在过去70年中，华北型煤田发生的突水事故达500余次，造成极为严重的人员伤亡和财产损失。奥灰含水层突水是我国煤矿开采过程中所面临的主要灾害之一。1984年，开滦范各庄煤矿发生的奥灰含水层岩溶陷落柱突水事故，突水量达2053m3/min，是迄今为止世界采矿史上的*大突水量；1935年，山东淄博北大井发生奥灰含水层断层突水，突水量为443m3/min，单次死亡536人以上（部分人员名单无法统计），也是我国单次死亡人数*多的矿山水害事故。近年来，随着奥灰水害防治技术进步和水害监管力度加强，突水事故伤亡人数明显减少，但突水事件仍时有发生。2011年，陕西韩城桑树坪煤矿“8 7”突水事故造成矿井被淹；2013年，安徽淮北桃园煤矿“2 3”突水事故造成矿井被淹；2017年，安徽淮南潘二煤矿“5 25”突水事故造成矿井被淹；2020年，山东临沂古城煤矿“7 12”突水事故造成部分采区被淹等。
由此可见，多年来我国开展了大量煤层底板岩溶含水层水害防治工作，有效减少了突水事故数和死亡人数，但仍难以完全避免煤层底板灰岩含水层突水事故的发生。分析原因，主要是新时期华北型煤田开采水文地质条件更加复杂，灰岩岩溶含水层具有高度非均质各向异性以及断裂构造难以预知等特点。现阶段，虽然华北型煤田的煤炭产量占比有所降低，但是由于华北型煤田煤炭主产区地域优势明显，加之部分炼焦煤、无烟煤等稀缺煤质难以替代，煤层底板灰岩含水层水害防治研究仍是我国新时期煤矿安全领域的重要研究内容。
为了保障华北型煤田煤炭资源的安全绿色高效开发，中国煤科西安研究院矿山水害防治与水灾事故抢险救援技术创新团队依托国家重点研发计划项目“矿井突水水源快速判识与水灾防控关键技术研究”（2017YFC0804100），针对我国华北型煤田煤层底板水灾隐患高效预防和突水灾害快速治理的难题，开展产学研用协同攻关，旨在提升我国煤层底板水害防治的技术水平，实现水害的超前预防与灾后的快速治理，研究成果对支撑该区域煤炭资源的安全高效开发具有重大意义。
1.2国内外研究现状
1.2.1采动底板突水机理
由于地质条件及煤层赋存状态的差异性，美国、加拿大、澳大利亚等产煤大国一般不存在煤矿开采过程中的底板岩溶含水层突水问题，而匈牙利、苏联、南斯拉夫等国家在煤层开采中受到底板岩溶水的影响，因此较早开展了底板突水机理的相关研究。20世纪40年代，匈牙利学者韦格弗伦斯*次提出了底板“相对隔水层”概念，认为底板突水取决于底板隔水层厚度与底板含水层水压的共同作用，并建立了底板突水与底板隔水层厚度及含水层水压之间的定量关系；50年代，苏联学者斯列萨列夫应用弹性力学，将底板视为受均布载荷作用的两端固支梁，同时结合材料力学强度理论，推导出了巷道底板破坏的*小水压计算式（杨志斌，2016）；70～80年代，Santos和Bieniawski在研究矿柱稳定性时，对煤层底板破坏机理进行了研究，改进了Hoek-Brown准则，根据承受破坏应力前岩石已破裂的程度及其岩石性质等，引入临界能量释放点概念分析了煤层底板的承载能力（Santosetal.，1989）。由于国外矿井水文地质条件相对简单，煤层底板突水机理研究的现实意义较小，不少学者转向开采引起的环境破坏等方面的研究。
我国自20世纪60年代开始对底板突水机理进行大量研究，取得了丰硕成果。以煤炭科学研究总院西安分院为代表，于60年代将单位隔水层所能承受的极限水压值作为预测预报底板突水与否的标准，提出了底板突水系数，并列入了《煤矿防治水规定》，在煤矿底板水害防治实践中得到广泛应用和推广；90年代，提出了底板突水是采动矿压和水压共同作用的岩水应力关系说（李抗抗等，1997）以及基于承压水导升高度在采矿过程中递进发展的底板突水递进导升说（王经明，1999），深入揭示了采动底板突水机理。另外，80年代山东矿业学院李白英教授将采场煤层底板至含水层顶面岩层自上而下划分为底板导水破坏带、保护带、承压水导升带的“下三带”理论（李白英，1999）。在底板“下三带”理论基础上，施龙青等（2005）基于损伤力学、断裂力学和矿山压力理论，考虑承压水对底板岩层的破坏作用，提出了开采煤层底板“四带”划分理论，即开采煤层底板可以划分出矿压破坏带、新增损伤带、原始损伤带、原始导高带。煤炭科学研究总院北京开采研究所王作宇等（1992）在80年代提出了原位张裂与零位破坏理论，该理论揭示了采动应力与承压水共同作用下，底板岩层自下而上的原位张裂破坏和底板零位破坏特征规律。张金才（1989）采用弹塑性理论中的薄板模型建立了预测煤层底板突水的理论判据。中国矿业大学钱鸣高院士等（2003）利用底板岩体的关键层结构模型构建了底板隔水关键层破断的突水判别方法。王连国等（2003）利用突变理论，建立了煤层底板岩层水压应力比随煤层底板突水阻抗因子和导水裂隙发展因子而发展直至突水的尖点突变模型。中国矿业大学（北京）武强院士（2007a）在煤层底板突水主控指标体系建立的基础上，应用多源信息集成理论，提出了煤层底板突水预测预报评价的“脆弱性指数法”。彭苏萍院士等（2003）提出，当工作面开采达到一定规模后，底板岩层破裂*大深度取决于宏观开采技术参数和地质条件。许延春等（2014）利用孔隙裂隙弹性理论，构建了注浆加固工作面底板突水“孔隙-裂隙升降型”力学模型。王双明院士等（2020）以煤炭绿色开采为核心内容，以实现煤炭资源开采和生态环境保护协调发展为目标，提出了煤炭绿色开采地质保障理论，构建绿色开采地质保障技术。华北科技学院尹尚先等（2020）等基于薄层灰岩在串联奥陶系灰岩与煤层形成水害的*特作用，定义了深部底板奥陶系灰岩及薄层灰岩水害概念及突水模式，阐明了奥陶系灰岩水渗透、扩容、压裂、导升，经薄灰中转储运形成面状散流的突水机理；在突水机理的基础上，提出了预测突水的方法（Yinetal.，2015）。上述研究成果为煤层采动底板水害防治提供了良好的支撑作用。
1.2.2煤层底板注浆改造技术
我国华北型石炭—二叠纪煤田煤层开采过程中普遍受到底板灰岩承压含水层突水威胁，突水淹井事故时有发生。近年来，随着浅部煤炭资源逐渐枯竭，我国煤矿开采深度以每年10～25m的速度向深部延伸，在高岩溶水压、高地应力和强采矿扰动等影响下，断层、陷落柱等地质构造和煤层开采导致底板断裂损伤而造成的水害事故频发。例如，2013年，淮北桃园煤矿发生底板突水事故，*大突水量达29000m3/h，造成矿井被淹；2017年，淮南潘二煤矿发生底板奥陶系灰岩含水层突水事故，*大突水量达14520m3/h，同样造成淹井事故。同时，随着煤层底板含水层水压逐渐增高，受煤层底板岩溶水害威胁的煤炭资源储量高达570亿t，部分煤炭资源甚至变为“呆滞储量”（赵庆彪，2016）。因此，煤层底板高承压含水层水害已经成为新时期我国煤炭资源安全、高效开采的主要制约因素。
针对煤层底板突水问题，国内外大量学者对突水影响因素、突水机理及危险性评价进行了研究，形成了一系列有效的水害防治技术。根据煤层底板突水结构模型分析，为了解放受底板奥灰水害威胁的煤炭资源，可采用降低含水层水压或增加隔水层厚度与强度的技术手段。疏水降压煤层底板含水层防治技术，在一定程度上可以缓解底板水害问题，但是易造成严重的水资源破坏及污染问题，同时多数区域底板奥陶系灰岩含水层富水性较强，难以直接疏降（顾大钊等，2021）。因此，采用注浆技术进行底板隔水层加固和含水层改造仍是我国煤矿区底板水害防治的主要手段。
岩溶介质、岩溶发育程度和含隔水性是确定注浆位置的关键指标，我国专家对此进行了大量的研究，董书宁等（2009）研究了奥灰顶部相对隔水段的形成原因，认为可以将奥灰顶部的相对隔水段作为保护层的一部分；缪协兴等（2011）使用多种手段对奥陶系顶部碳酸岩层的隔水特性、隔水机理进行了研究；武强等（2007b）基于信息融合技术，针对华北型煤田中奥陶统碳酸盐岩古风化壳的天然隔水性能展开了研究；张伟杰（2014）对岩溶泉域煤矿奥灰顶部相对隔水性及水文地质特征进行了研究；柳昭星等（2021）利用X射线三维显微镜（显微CT）技术对邯邢矿区底板区域改造地层中奥陶系灰岩顶部岩样进行扫描分析，该结果直观反映了岩样内部真实的空隙结构，定量分析了空隙发育特征和几何参数。
1.底板注浆治理技术和装备
底板注浆治理技术方面，我国多名专家学者对奥灰顶部利用与注浆改造技术进行了研究。2008年以前，煤层底板含水层注浆改造时，一直采用直孔注浆，由于钻孔遇含水层孔段较短，需要密集钻孔。20世纪50年代，随着煤层底板含水层突水系数的概念和水害危险性评价指标的提出，我国主要石炭—二叠纪煤炭生产区开始了针对断裂构造的注浆技术研究。肥城矿区、焦作矿区利用井下巷道内施工注浆钻孔，实现断裂构造注浆加固与工作面底板全面（部分）改造，一定程度上缓解了底板水害威胁。但是，井下常规钻进技术注浆工艺必须依托井巷工程实施，无法超前探查底板水害情况。同时，注浆工程也面临注浆盲区大、目标位置不准确且注浆有效孔段短等问题，使得巷道掘进过程中水害难以高效探查与治理，且治理过的工作面也频繁发生突水事故。为了解决直孔注浆存在的问题，水平定向钻技术开始逐渐应用于煤矿防治水领域。董书宁等（2020a，2008）*次提出了利用水平定向钻孔进行煤层底板注浆加固的理念，发明了煤层底板注浆加固水平定向钻孔的施工方法，大幅增加了有效注浆孔段长度，提高了钻遇裂隙带、含水体的概率，减小了注浆盲区，提高了注浆改造的效率，开启了利用水平定向钻孔进行底板水害注浆治理的新篇章，并在河南焦作赵固一矿进行了成功试点，通过大量案例总结提出了超前区域注浆改造模式和分类标准；赵庆彪（2014）利用水平定向钻孔技术在邯邢矿区进行了区域超前治理；郑士田（2018）利用地面定向水平孔技术，实现了潘集二矿陷落柱的封堵治理。目前，水平定向钻进技术已得到迅速发展，广泛应用于矿井水害防治工程。
水平定向钻进技术主要分为稳定组合钻具定向钻进技术和螺杆马达定向钻进技术两种，主要应用于煤矿瓦斯抽采领域。自20世纪90年代我国瓦斯抽采得到重视以来，水平定向钻进技术取得了长足发展，尤其是螺杆马达定向钻进技术逐渐得到推广应用，形成了顶板定向长钻孔、松软煤层梳状钻孔、集束型定向钻孔瓦斯抽采、上下联合抽采等多种瓦斯抽采钻孔施工技术和工艺方法，并开始应用于地质构造探测和探放水等多个领域。水平定向钻进技术在煤矿防治水方面的应用主要包括定向长钻孔探放水、定向长钻孔底板注浆加固堵水，还可用于探测地质异常、断层构造和陷落柱发育位置等，尤其适合于奥灰顶部地层的探查和注浆治理。利用近水平定向长钻孔技术进行探放水，可大大缩减工程量，增加钻孔在含水层中的延伸距离，
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